Bt抗蟲基因對作物的影響范文

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《糧食與食品工業雜志》2014年第五期

1bt殺蟲原理

1．1Cry晶體蛋白Bt毒蛋白在伴孢晶體內是以內毒素（Protoxin）的形式存在，具有高度的專一性，只能造成靶標昆蟲死亡，而對非靶標人、畜、哺乳動物無害。內毒素本身不具備活性，當內毒素被靶標害蟲攝取后，在害蟲中腸的堿性環境下被蛋白酶消化為具有殺蟲活性的小片段的毒性肽。這種毒性肽可以穿過圍食膜后到達中腸上皮柱狀細胞，并能夠識別與結合刷狀緣膜上特異的高親和受體位點。毒性肽與受體結合后，在受體的幫助下毒性肽的部分結構能夠插入細胞膜中，通過在細胞膜上形成非特異性孔道來破壞細胞離子平衡，最終導致細胞的破裂。

1．2Vip蛋白Vip3的殺蟲機理主要體現在對害蟲中腸細胞的破壞上。Yu的組織病理學觀察試驗是研究Vip3A作用機制的經典實驗：用Vip3A蛋白去飼喂敏感昆蟲，72h后，中腸上皮細胞和基底膜脫落，昆蟲死亡［4］。VIP3為可溶性蛋白，不需通過昆蟲中腸的消化即可直接起作用，通過誘發中腸細胞凋亡，導致昆蟲死亡。

2Bt基因在作物中的應用

1987年，Montagu實驗室的Veack等人將Bt基因轉入到煙草中，獲得了抗煙草天蛾的轉基因煙草植株。這是首次實現抗蟲基因應用于植物的報道。隨后幾年科學家在對轉Bt基因植株的研究中發現，雖然轉基因植株存在一定的抗蟲性，但蛋白的表達量僅占可溶性蛋白的0．001％。科學家進一步研究發現，其主要原因是由于：①野生型Bt基因的mRNA在植物中半衰期短，表達不穩定；②Bt基因是微生物基因，在轉譯時某些tRNA含量過少，翻譯效率低下。盡管早期Bt轉基因植物的抗蟲效果不理想，但是通過不理想原因的分析和發現，為后來高效表達Bt毒蛋白轉基因植物的研究奠定了基礎。自此伊始，人們在Bt毒蛋白基因的修飾和改造、表達載體的構建、植物組織轉化、抗蟲植物的培育等方面進行了大量的研究。初期，科學家對ICPs研究較多，并延續至今。1992年，中國農科院郭三堆等人通過雙鏈合成DNA的方法，在我國首次合成了CryIA基因；并將Bt基因導入棉花，獲得高抗棉鈴蟲的轉Bt抗蟲棉花，使中國成為繼美國之后，第2個獲得擁有自主知識產權轉基因抗蟲棉的國家。此外，有研究機構也合成及部分改造了CryIA基因并成功導入煙草，甘藍和大豆［5］。2004年，林擁軍等人工合成cry1C＊和cry2A［6］。該研究將基因內部的密碼子置換成植物偏愛性密碼子，并在編碼序列的5＇端和3＇端分別添加了引導序列和加尾識別信號序列，使之更易于在植物中表達。2009年，Sujatha將cry1Ec導入蓖麻（RicinuscommunisL．）中，結果對斜紋夜蛾（SpodopteralituraFabr）和蓖麻夜蛾（AchoeajanataL．）都表現出殺蟲活性［7］。2011年，Ta－bashnik等研制出新Bt毒素（Cry1AbMod和Cry1AcMod），對5種產生抗性的害蟲，如小菜蛾（P．xylostella）、棉鈴蟲（Helicoverpaarmigera）、歐洲玉米螟（Ostrinianubilalis）等都具有殺蟲活性［8］。而后，對新型殺蟲蛋白VIPs的研究應用也日益增多。2003年，先正達公司研制成功表達VIP3A毒蛋白的棉花品種COT102；2007年，又將COT102與轉cry1Ab基因棉花COT67B雜交選育而成VipCotTM棉花［9］，是首個含有VIPs和Cry蛋白的轉基因棉花。同年，又培育出轉vip3Aa20的轉基因玉米MIR162。近年來，Bt轉基因作物中的研究呈現出轉化的基因由單一基因向多基因發展；由單純Bt基因轉化向Bt基因與其他抗蟲基因（蛋白酶抑制劑基因、凝集素基因和2－淀粉酶抑制劑基因等）協同轉化發展；表現的性狀由單一性狀向復合性狀發展；轉化的品種從糧食作物如水稻、玉米、大豆、土豆、小麥等；到經濟作物如棉花、楊樹、甘蔗等；從蔬菜作物如油菜、甜菜等，到藥用或嗜好作以及盆栽植物如苧麻、菊花、石斛蘭等等。截至目前，我國并未商業化生產轉基因主糧。

3轉Bt基因作物存在的問題

3．1抗藥性轉Bt基因作物在對蟲害防治方面以及對減少化學品危害方面確實做出了巨大的貢獻。但轉基因作物仍然面臨了化學農藥相似的弊端—抗藥性，這或許是橫亙該技術前進的最大障礙。目前，已有至少20多種昆蟲在自然選擇或者室內和溫室中通過人工選擇產生了對Bt作物的抗性，如美洲棉鈴蟲、非洲鉆心蟲、草地夜蛾、棉鈴蟲、棉紅鈴蟲、煙芽夜蛾、小菜蛾等。科學家主要從生理生化、行為和分子遺傳等方面對昆蟲的抗性機理進行了研究。

3．1．1生理生化方面棉貪夜蛾的腸蛋白酶活性隨著蟲齡而增加，4齡幼蟲比1齡和2齡幼蟲的可以降解更多的毒蛋白。昆蟲中腸上皮細胞受體與活性毒素的結合是殺蟲的重要機理之一。目前，Bt蛋白受體主要分為鈣粘蛋白、氨肽酶、堿性磷酸酶和一種糖脂類物質等四類物資。煙芽夜蛾中腸上的堿性磷酸酶是Cry1Ac毒素蛋白結合受體，與非抗性昆蟲相比，抗性昆蟲的磷酸酯酶活性減少一半［25－26］。

3．1．2昆蟲行為方面昆蟲對含Bt的食物的會有一種類似出于本能的躲避危害的行為。昆蟲會在取食含Bt的食物后，有一個快速的停食反應，或者迅速轉移取食位置，從而減少毒素攝入量，或躲開最高Bt劑量，這也是抗性產生的一種方式。

3．1．3分子遺傳方面目前研究發現，與昆蟲產生抗性有關的基因是隱性基因或不完全顯性的，基因突變是昆蟲抗性產生的重要原因之一。Morins研究發現，棉紅鈴蟲抗性品系的三種鈣黏蛋白基因發生突變，相關位點堿基缺失，導致Cry受體結合部位氨基酸序列的缺失；Avisar研究發現抗性的甘藍銀紋夜蛾對Cry1A的最大結合率變小，受體蛋白基因中的結合區域也變得更短。針對昆蟲產生抗性的問題，科學家也進行了延緩或者阻止其產生抗性的研究，主要采取以下幾種方式。（1）提高Bt劑量：利用現代生物技術提高Bt的表達水平，增強作物的抗性。（2）使Bt蛋白特異表達：主要是使作物在受到昆蟲傷害時或者特殊時期才表達Bt蛋白。（3）庇護所：通過在Bt作物附近種植一些非Bt的正常植物，來保證一定數量的非抗性蟲體，通過非抗性蟲體和抗性蟲體的交配，從而稀釋抗性基因。（4）高劑量和庇護所聯合使用：就是在提高Bt作物表達水平的同時，再在附近種植一些非Bt的正常植物，效果較好。（5）多種基因復合：通過將兩種及以上的基因復合到同一作物中，使之對昆蟲產生復合抗性。

3．2基因漂移轉Bt基因植物也和其他轉基因植物一樣出現向常規栽培種及野生近緣種中飄移的現象。已有研究發現，Bt基因在玉米、棉花上可以通過花粉向近緣非轉基因植物中轉移；通過轉基因大豆可以向人類腸道微生物轉移。Netherwood等把轉基因大豆（EPSPS）的漢堡和豆奶昔給7個腸道造口的和12個健康的志愿者食用。結果，7個腸道造口志愿者的小腸中都出現了轉基因，其中3個還出現了向腸道微生物轉移的現象；但在12個健康個體的糞便中沒有發現轉基因，說明轉基因能在人的大腸中降解。這可能引起食用者胃腸功能的改變或有害人的健康［5］。

3．3對土壤生態系統的影響Bt基因作物對土壤生態系統的影響主要是由于根系可以向土壤中分泌毒蛋白，并且需要一定的周期進行降解。土壤中的毒蛋白可能會對越冬的昆蟲、敏感的昆蟲以及土壤的微生物等產生影響，進而影響整個土壤生態系統［5］。

3．4在食品安全方面商業種植的轉Bt基因作物，主要是對目標害蟲進行專一性傷害，但對人和其它動植物無害。張珍譽［30］開展了轉Bt基因稻谷對小鼠血清生化指標和器官發育、小鼠胚胎生長發育、致敏性生物信息學、小腸mtDNA突變以及體內殘留的研究。結果：以轉Bt基因飼喂的小鼠沒有出現任何不適癥狀，并且各項血清生化指標及器官發育也都正常。同時，也未發現轉基因在小鼠體內的轉移和殘留。所以，試驗說明將轉Bt基因稻谷作為小鼠的飼料基本是安全的。杜紅方［31］以轉基因水稻作為肉仔雞日糧原料進行了安全性評價，研究發現以轉基因糙米作為肉仔雞飼料原料配制日糧，飼喂肉仔雞后未產生不安全作用，且未發現轉基因成分在肉仔雞體內會發生轉移和殘留。但對長期安全性未做說明。雖然目前的研究沒有發現轉基因作物有毒性或者說營養上的毒性，但是仍需要科學家通過長期試驗和更細致的研究來確保轉基因作物的安全性。目前，人們對食用轉Bt基因作物的安全十分關注，并形成了支持和反對的兩大陣營。支持者多為具有學術頭銜的科學家，但其背后的商業利益背景備受指責。反對者大多來自民眾、或非專業人士，他們的擔心的理由往往并不充分，例如崔永元自費赴美拍攝的紀錄片，并沒有給出一個令人信服的結論。被譽為水稻之父的袁隆平也稱轉基因食品不能一概而論。對于抗病抗蟲的轉基因食品，要特別小心謹慎，多做實驗。美國在研究并應用轉基因作物上持開放的態度，這可能與其經濟利益有關，而歐洲保持了其一貫抗拒的態度。在我國，對于轉基因食品官方一方面保持了謹小慎微的態度，先后批準了甜椒、番茄以及番木瓜3種作物作為商業化生產。但與此同時，轉基因作物優勢的性價比是行業內無法回避的事實，造成了我國每年大量進口轉基因大豆進入食品加工領域，官方更像是處于決策的搖擺期間。目前我國對轉基因作物的安全性研究仍然是局部、短期的，對人類安全的評估缺少長期、穩定的數據，建議招募志愿者進行人體實驗。

4小結

綜上所述，Bt抗蟲作物在生物農藥的研究中已取得了巨大的進展。通過將Bt基因轉入作物體內表達，殺蟲活性可以一直存在于植物整個生命周期。相比農藥而言，具有作用時間長，不會被雨水等自然環境影響等優點。同時，又具有對人、畜和環境友好的特點，具有很好的發展前景。未來在觀賞植物、經濟作物上具有更加廣泛的應用空間。面對抗蟲性問題，多種抗蟲基因的混合利用對提高植物的抗蟲能力及抗蟲范圍具有較好的作用。安全性方面，對轉Bt基因作物生物安全性的爭論仍然缺少長期且更廣泛的實驗支持以及更深入細致的研究。另外，轉基因作物存在基因漂移和對生態系統等的影響等問題也需要進行長期研究。轉基因這種人類對自然進化的干預方式，為人類帶來利益以的同時可能也帶來的危害，人類必需在兩者之間尋求可以接受的平衡。途徑是通過更廣泛深入的研究，開發出安全性更好、性能更優越的產物。

作者：吳新包夢醒單位：蘇州出入境檢驗檢疫局蘇州世標檢測技術有限公司蘇州市產品質量監督檢驗所